Снижение вибрации при транспортировке ящиков с фруктами с помощью устройств, напечатанных на 3D-принтере

Транспортировка свежесобранных фруктов к пункту сбора в основном осуществляется с помощью прицепов по бездорожью, что вызывает удары и вибрации, негативно влияющие на качество фруктов. Хотя в предыдущих исследованиях предлагались некоторые решения для смягчения этих эффектов, ни одно из них не направлено непосредственно на источник проблемы — сами транспортные ящики. В этом контексте листы из метаматериалов, созданные по образцу изоляторов квазинулевой жёсткости (QZS), открывают возможности для изучения методов виброизоляции благодаря своим нелинейным характеристикам.

В данной работе были изготовлены и сравнены листы из АБС-пластика с различной внутренней геометрией в качестве возможного дна транспортных ящиков. Снижение вибрации не только защищает физическую целостность фруктов, предотвращая видимые повреждения, такие как вмятины или ушибы, но и сохраняет их химические свойства, такие как текстура и свежесть, что напрямую влияет на срок их хранения и товарный вид. Анализируемыми переменными в конструкции этих геометрий были количество рёбер, их толщина и угол наклона. На этих образцах изучали их поведение под действием ударных нагрузок, а также экспериментальное динамическое поведение с помощью электродинамического вибростенда при воздействии синусоидального сигнала и одноосной вибрации, записанной у основания прицепа на реальном маршруте в сельской местности. Результаты показали, что образцы с углом наклона рёбер 30° и толщиной 0,4 мм продемонстрировали наилучшие показатели по сопротивлению удару и более высокое усиление передаваемой вибрации в установившемся режиме. При воздействии сигнала, записанного на маршруте, были получены проценты снижения передаваемой вибрации в диапазоне от 13% до 19% в точке основного ударного ускорения.

После сбора урожая фрукты в поле транспортируются на предприятия в различных типах транспортных средств, как правило, с использованием ящиков. Транспортировка по различным маршрутам в поле создает вибрации и удары, которые передаются через шасси транспортного средства к фруктам [ 1 , 2 ], что отрицательно влияет на качество фруктов, например, на их помятость. В результате наблюдается снижение твердости [ 3 ], изменение окраски [ 4 ] и ухудшение целостности клеточной стенки [ 5 ], что напрямую влияет на рентабельность урожая [ 6 ]. Хотя точно оценить потери сложно, некоторые исследования показывают, что от 10% до 30% качества фруктов теряется во время транспортировки [ 7 ].

Большинство существующих исследований сосредоточены на эффектах транспортировки фруктов по дороге, но не было найдено исследований, которые анализировали бы эффект предварительной транспортировки от места сбора урожая до места сбора или загрузки грузовика в поле. Эти маршруты, хотя и короткие, пролегают по особенно неровной и неоднородной местности, на которую влияют такие неблагоприятные условия, как камни, выбоины и овраги, и в основном используются тракторами с прицепами или другими аналогичными транспортными средствами; поэтому влияние вибраций больше и его сложнее охарактеризовать по сравнению с автомобильной транспортировкой из-за большей степени неопределенности вынуждающих агентов. Некоторые авторы предлагают эффективные решения в области техники, такие как пневматические системы растворов [ 8 ] или антивибрационные платформы на прицепах [ 9 ]. Однако адаптации, применяемые к машинам, которые используются не только для сбора фруктов, но и для других целей, нелегко реализовать на практике. Поэтому эта работа сосредоточена на возможном использовании антивибрационных листов, укладываемых на дно ящиков для фруктов, как недорогого варианта и как альтернативы адаптации в технике.

В литературе разные авторы изучали влияние упаковки на транспортировку фруктов. Были проанализированы разные материалы, такие как полистирол в коробках [ 10 ] или контейнеры из гофрированного картона [ 11 ]. Традиционные корзины также сравнивались с пластиковыми коробками [ 12 ] или полными поддонами для фруктов [ 13 ]. Кроме того, некоторые авторы исследовали использование съедобных покрытий для продления срока годности фруктов [ 14 ]. Большая часть исследований сосредоточена на сравнении коммерческих упаковочных материалов, без изучения улучшений в материалах, используемых для коробок, в которые помещаются фрукты. В связи с этим существует значительный пробел в исследованиях по разработке специальных покрытий для транспортных ящиков, которые могут эффективно смягчать вибрацию, как это рассматривается в этой статье [ 7 ].

Модели квазинулевой жесткости (QZS) являются многообещающей альтернативой при проектировании виброизолирующих устройств [ 15 ]. Динамическая жесткость, определяемая как производная восстанавливающей силы по смещению, может быть намеренно спроектирована очень малой или даже нулевой вблизи точки статического равновесия. С другой стороны, статическая жесткость, понимаемая как отношение между восстанавливающей силой в положении статического равновесия и смещением из начального положения в положение статического равновесия, может быть спроектирована очень большой. Сочетание нелинейного характера низкой динамической жесткости и высокой статической жесткости, типичное для моделей QZS, может значительно снизить собственную частоту системы, сохраняя при этом высокую нагрузочную способность, тем самым расширяя частотный диапазон виброизоляции до низкочастотных областей. В этом контексте метаматериалы, свойства которых зависят от их структуры, а не от состава [ 16 ], проявляют нелинейности со свойствами смягчения вибрации [ 17 ]. Сообщалось об использовании цилиндрических конструкций для снижения низкочастотных сигналов [ 18 ], сетчатых структур для смягчения вибрационных сигналов [ 19 ] или использовании трехмерных твердых тел с отрицательной гауссовой кривизной, известных как «Шварциты» [ 20 ]. Пористые материалы, изготовленные с помощью 3D-печати, также, как было показано, полезны для акустической изоляции [ 21 ], и использование переработанных материалов для строительства изоляторов QZS возможно [ 22 ]. Конструкция моделей QZS с метаматериалами достигается путем соединения элементов отрицательной жесткости (NS) и положительной жесткости (PS) [ 23 , 24 , 25 ]; однако также возможна конструкция с элементами переменной положительной жесткости, изгиб через фиксированные соединения и выпучивание структур [ 26 ].

Основная цель данной работы — исследовать поведение изолирующих листов, изготовленных методом 3D-печати, оценивая их способность снижать удары и вибрации, возникающие при транспортировке по нерегулярным и неоднородным маршрутам, перед их возможным применением в качестве покрытий на дне ящиков для фруктов. Для этого были охарактеризованы вибрации, присутствующие в прицепах, загруженных фруктами, и проведены лабораторные испытания для анализа эффективности листов в смягчении этих вибраций. Инновация данной работы заключается в разработке простых, многоразовых и недорогих антивибрационных покрытий для использования при транспортировке фруктов в ящиках. Эти листы не только могут стать полезными инструментами для инженеров-упаковщиков, но и представляют собой экономичное и доступное решение по сравнению с другими устройствами для гашения вибрации при транспортировке на месте. Это также более экологичный вариант, поскольку он позволяет использовать материалы, которые с большей вероятностью будут использоваться повторно, чем картон или упаковка для отдельных фруктов [ 27 ].

В данной статье изложение представлено в следующей последовательности: сначала рассматривается конструкция прототипа образца, где объясняются различные параметры, подлежащие изучению. Далее следуют испытания на транспортировку плодов и испытания с записью вибрации, а также лабораторные испытания на удар, анализ с использованием синусоидального сигнала и регистрацию переходного сигнала. Полученные результаты демонстрируют динамическое поведение образцов в каждой из заданных условий исследования.

2.1. Проектирование испытательных образцов изоляторов, изготовленных с помощью 3D-печати

Модель образца размером 100 × 100 × 10 мм была спроектирована с верхним и нижним слоями толщиной 0,8 мм, вдохновленная конструкциями изоляторов QZS. Несколько авторов предложили использовать изгибающие модели с фиксированными точками, которые имеют характерную зону высокой жесткости [ 26 ]. Использование наклонных элементов концептуально полезно для достижения явления изгиба. Фиксированные точки на наклонных элементах в сочетании с шириной профиля не только эффективно поглощают вибрации, но и позволяют эффективно поддерживать изолируемую массу. Кроме того, использование многосегментных профилей позволяет нам усилить профиль и получить зону высокой жесткости [ 28 , 29 , 30 ]. Однако усилить жесткость модели можно не только с помощью профиля, поскольку увеличенная толщина спроектированного профиля позволяет усилить жесткость любой конструкции простым способом [ 31 ]. После изучения литературы, касающейся конструкций с наклонными элементами, конструкция этих образцов была приближена к простому профилю наклонной балки, которую можно было бы сделать жесткой, регулируя ширину ребра по всей пластине. Таким образом, можно создавать сэндвич-панели изоляторов без необходимости в сложных конструкциях. Эти испытательные образцы имитируют поверхность, которая может быть размещена на днищах ящиков или как часть самой конструкции ящика для фруктов. Ребра этих образцов были параметризованы относительно угла наклона (A), шага или линейного рисунка (P) с точки зрения количества ребер на 100 погонных мм и толщины (T) ( Рисунок 1 ). Таким образом, образец A45-P6-T0.4 соответствует конфигурации ребер с наклоном 45°, 6 ребрами на 100 мм и толщиной 0,4 мм. С другой стороны, для моделирования поведения коммерческой пластиковой коробки без какого-либо демпфирующего листа был изготовлен контрольный образец с такими же размерами, но полностью твердый (контрольный на рисунке 1 ).

Рисунок 1. Шаблоны проектирования, установленные на опытных образцах.

Каждый из разработанных образцов был изготовлен с использованием 3D-принтера (Ultimaker 3, Утрехт, Нидерланды), оснащенного печатным сердечником 0,4 мм. В качестве материала использовался АБС (Smart Material, Хаэн, Испания), выбранный за его хорошие механические свойства, такие как прочность на разрыв и ударопрочность [ 32 ], а также его способность выдерживать высокие температуры [ 33 ]. Образцы печатались в вертикальном положении, и использовались устройства для поддержания постоянного тепла в течение процесса, чтобы избежать деформации. Печатная головка очищалась после изготовления каждого образца. Условия печати, выбранные в программном обеспечении (Ultimaker Cura 5.0), были следующими: температура экструдера и пластины 245° и 90° соответственно, скорость печати 60 мм/с и высота слоя 0,2 мм на слой.

2.2. Ускорения, возникающие в прицепах, ящиках и фруктах в поле

Для характеристики колебаний, возникающих при транспортировке фруктов в поле, в июне 2024 года трактор проехал по участку длиной 180 м, выбранному на сельскохозяйственной ферме из-за неблагоприятных условий дорожного покрытия, характеризующихся наличием камней и выбоин, а также высокой плотностью и сухостью ( рисунок 2 ). Трактор использовался с одноосным прицепом (без амортизации) с габаритами кузова 2,5 × 1,5 × 0,5 м и грузоподъемностью прицепа 1000 кг. Трактор поддерживал постоянную скорость 10 км/ч на всем протяжении движения.

Рисунок 2. Участок сельской трассы, выбранный для регистрации вибраций при движении к точке сбора.

Прицеп был загружен яблоками сорта «Голден» удельной массой 0,2 ± 0,03 кг, помещенными в пластиковые ящики размером 0,33 × 0,45 × 0,2 м. При таком размещении были установлены акселерометры для регистрации ускорений, возникающих у основания прицепа, у основания ящиков и на плодах ( рисунок 3 ). С одной стороны, одноосный акселерометр (PCB 356A32, Depew, New York, NY, USA) был размещён у основания прицепа, а другой – внизу ящика для фруктов, расположенного в центре прицепа, при этом все они были выровнены по оси прицепа. С другой стороны, три беспроводных триаксиальных акселерометра MEMS (Gulf Coast Data Concepts LLC, X200-4, Уэйвленд, Миссисипи, США) были помещены внутрь трёх искусственных яблок, изготовленных из PLA-материала с помощью 3D-печати, размеры и масса которых были аналогичны размерам и массе остальных яблок внутри коробок ( рис. 3 ). Ускорения регистрировались многоканальным динамическим анализатором (OROS 36 Mobi-Pack, Мейлан, Франция).

Рисунок 3. Расположение датчиков на прицепе, ящиках и фруктах.

Для обеспечения согласованности результатов были проведены три независимых теста в одинаковых условиях. Путь измерения составил 65 секунд записи, начальное и конечное места были определены заранее для строгого контроля оцениваемого участка.

Были оценены несколько параметров зарегистрированных сигналов, такие как плотность спектра мощности (PSD) для анализа распределения ударов в частотной области, спектральная когерентность для определения взаимосвязи между частотными пиками и фазой спектра для оценки фазового сдвига между различными частотами.

2.3. Испытание образца на удар

Для характеристики ударостойкости различных образцов (образец на рис. 4 ) в сравнении с контрольным листом оценивалось отношение амплитуд колебаний. Для этой цели использовалось устройство, предназначенное для вертикального падения фруктов с фиксированного положения, установленного на высоте 20 см, в качестве репрезентативной меры положения, из которого фрукты обычно падают в ящик ( рис. 4 ).

Рисунок 4. Характеристика отношения амплитуд колебаний при ударном испытании.

Искусственное яблоко (0,075 × 0,075 × 0,075 м) из PLA было изготовлено и использовано для получения большей воспроизводимости в испытаниях без повреждений. Эти контролируемые условия веса и формы необходимы для точного и последовательного сравнения различных предлагаемых листов. Искусственное яблоко было спроектировано с внутренним отверстием (в соответствии с конструкцией, показанной на ( Рисунок 3 ) для размещения беспроводного трехосного акселерометра (Gulf Coast Data Concept)), так что масса сборки составляла 0,18 кг. В нижней части устройства, где принимаются удары, были размещены образцы для измерения пикового ускорения, генерируемого при ударе, и для сравнения различных образцов друг с другом. Зарегистрированные пиковые ускорения соответствовали оси X ( Рисунок 4 ) и были получены из среднего значения 30 повторений, следуя Хименесу-Хименесу и др. (2013) [ 34 ] в аналогичном исследовании ударов на оливках.

2.4. Тест динамического отклика на непрерывный сигнал

Каждый из изготовленных образцов был закреплен на основании металлической вибрационной конструкции 100 × 100 × 8 мм электромагнитного встряхивателя (LDS V406, Nærum, Дания) для создания вынужденной вибрации по вертикальной оси ( Рисунок 5 ). К каждому образцу была добавлена ​​предварительная нагрузка массой 1 кг для имитации веса плода на исследуемой поверхности. Этот вес был оценен, исходя из предположения, что для покрытия поверхности стандартной коробки, которая обычно вмещает приблизительно 15 кг, требуется 15 экспериментальных образцов. Такой подход устраняет изменчивость, присущую взаимодействиям между плодами, и фокусируется на точной оценке антивибрационных свойств листов. В это устройство были помещены два одноосных акселерометра (PCB 352C33, Depew, New York, NY, USA) — один на жестком основании основания встряхивателя и один на массе, размещенной на испытуемых образцах. Таким образом, первый акселерометр будет имитировать поведение конструкции прицепа, в котором размещены ящики, а второй — поведение фруктов на ящике, накрытом различными испытываемыми образцами.

Рисунок 5. Лабораторные испытания с использованием различного оборудования ( слева ) и положения одноосных акселерометров ( справа ).

Вибростенд и акселерометры были подключены к 16-канальному динамическому анализатору (OROS 36 Mobi-Pack, Meylan, Франция), управляемому программным обеспечением NVGate v.8 (Meylan, Франция). Генерировались два типа непрерывных сигналов: (1) искусственный синусоидальный сигнал и (2) сигнал, записанный при прохождении через ферму (подробнее см. ниже). Выход оборудования был подключен к усилителю сигнала (LDS PA100E, Naerum, Дания).

2.4.1 Искусственный синусоидальный сигнал

Генерировался синусоидальный сигнал частотой 4 Гц, поскольку он преобладал в записях, полученных во время полевых испытаний. Амплитуда, подаваемая на вибратор, составляла 2,8, 5,6 и 8,5 В, поскольку предел вибростенда составлял 10 В. Для каждого образца было выполнено в общей сложности 3 повторения, оценивая вибрацию в течение периода 4 с в установившемся режиме [ 35 ]. Для каждого образца оценивались среднеквадратичное ускорение (A RMS ) во временной области во время вибрации, а также передаточная способность ускорения (A TRANS ) (%) в виде процента между значениями A RMS различных точек образца, измеренными в испытательной лаборатории.

2.4.2 Двойной светофор на поле

Сигнал, зарегистрированный у основания прицепа во время предварительного полевого испытания, был воспроизведен в качестве выходного сигнала вибростенда. Для каждого образца было проведено три повторения, после чего полученные в лаборатории сигналы были проанализированы. Из этих сигналов были выбраны три пика с наибольшим ускорением, которые были оценены для определения амплитуды колебаний, соответствующих соотношению пика, наблюдаемого у основания вибростенда, и массы, которая отражала бы демпфирование между основанием прицепа и фруктом, перевозимым в поле. Анализ этих функций был выполнен с использованием программного обеспечения Matlab R2024a (MathWorks, Натик, Массачусетс, США).

2.5 Статистический анализ

Для статистического анализа данных были проведены параметрические исследования, поскольку все исследуемые переменные продемонстрировали нормальность и однородность дисперсий. Для статистического анализа использовалось программное обеспечение IBM SPSS Statistics 25 (IBM Corporation; SPSS Statistics 25, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США).

Различные записи сигналов в прицепе и боксах показали высокую повторяемость. Был выбран один из сигналов в каждой точке, показанный на рисунке 6 (вверху). Видно, что временная характеристика характеризуется большим количеством пиковых ускорений, усиленных в сигнале, записанном в боксе.

Рисунок 6. Временной отклик, зарегистрированный на одноосных акселерометрах в полу прицепа и дне кузова ( вверху ), и сигнал, зарегистрированный на трехосном акселерометре MEMS, вставленном в искусственный фрукт ( внизу ).

Что касается временных сигналов, зарегистрированных в искусственных яблоках ( рисунок 6 (внизу)) с помощью трёхосных акселерометров, пики ускорения наблюдаются в соответствии с пиками, возникающими в то же время в прицепе и ящиках ( рисунок 6 (вверху)), но с гораздо большей амплитудой (более чем в пять раз в большинстве пиков частоты). Примечательно, что та же временная динамика наблюдается и в ускорениях, создаваемых по осям y и z, что, возможно, связано со столкновениями фруктов в ящике во время вращения.

На рисунке 7 показана частотная характеристика сигналов, зарегистрированных на поверхности прицепа и на дне ящика для фруктов. Пиковые значения наблюдаются на частотах от 3,3 до 4 Гц, при этом наибольшая амплитуда наблюдается в сигнале от ящика. Результаты спектральной когерентности между основными частотными пиками двух сигналов показывают значения когерентности 0,982 на частоте 3,3 Гц, 0,986 на частоте 3,5 Гц и 0,984 на частоте 4 Гц. Фазовый сдвиг спектра составляет −4,90° на частоте 3,3 Гц, −1,76° на частоте 3,5 Гц и −9,86° на частоте 4 Гц, то есть между сигналами от прицепа и ящика обнаружены минимальные и отрицательные фазовые сдвиги.

Рисунок 7. Частотная характеристика, записанная на полу прицепа и внутри ящика для фруктов, а также когерентность и спектральное смещение обоих сигналов.

На рисунке 8 представлены результаты соотношения амплитуд колебаний, полученные при испытании образцов на удар. В качестве эталона использовался контрольный лист, в котором были указаны пиковые значения ускорения (M = 619,17, SD = 31,62 мс ⁻² ). Образец A30-P4-T0.4 показал более высокое соотношение по сравнению с другими (M = 331,46, SD = 23,58 мс ⁻² ), что свидетельствует о значительных различиях со всеми остальными образцами (ANOVA, p < 0,05; постфактумный парный t -критерий Дункана с поправкой Холма, p > 0,05). A30-P6-T0.4 (M = 244.91, SD = 19.81 мс ⁻² ) и A45-P4-T0.4 (M = 137.78, SD = 10.72 мс ⁻² ) также показали значимые различия с другими. Образцы A30-P4-T0.8 (M = 64.03, SD = 21.41 мс ⁻² ), A45-P6-T0.4 (M = 32.53, SD = 13.01 мс ⁻² ) и A45-P4-T0.8 (M = 13.96, SD = 9.73 мс ⁻² ) показали самые низкие отношения амплитуд. Более того, они не сообщили о значимых различиях между собой, хотя и сообщили о значимых различиях с другими.

Рисунок 8. Соотношение амплитуд колебаний различных образцов по отношению к контрольному образцу. Различия между буквами показывают значимые различия (ANOVA, p < 0,05; постфактумный парный t -критерий Дункана с поправкой Холма, p > 0,05).

Таблица 1 показывает значения среднеквадратичного ускорения в основании вибростенда, а также передаточную способность между основанием и массой, размещенной на образцах, зарегистрированные в лабораторных испытаниях с использованием синусоидального сигнала на частоте 4 Гц с переменной амплитудой напряжения или усилением. Были обнаружены значимые различия в A RMS и A TRANS между каждым предложенным образцом, устанавливая эти сравнения при одинаковом напряжении. Не было получено значимых различий между испытаниями с различными образцами для одного и того же усиления в основании A RMS (ANOVA, p < 0,05, постфактум попарный t -тест Стьюдента с поправкой Холма, p < 0,05). Что касается массы основания A TRANS , образцы A30-P6-T0.4 и A30-P4-T0.4 значительно отличались от всех остальных; A45-P4-T0.8 и A30-P4-T0.8 значительно отличались от других, за исключением A45-P6-T0.4; Образец A30-P4-T0.8 достоверно отличался от остальных, за исключением образцов A45-P6-T0.4 и A45-P4-T0.4 (ANOVA, p < 0,05, апостериорный парный t -критерий Стьюдента с поправкой Холма, p < 0,05). Можно наблюдать, как усиление вибрации происходило по массе практически во всех случаях при значениях передаточной способности выше 100% во всех образцах, достигая значений до 127% в образце A30-P4-T0.4 при амплитуде напряжения 8,5 В.

Таблица 1. Параметры вибрации, полученные в ходе синусоидального теста. Приведены средние значения (стандартное отклонение).

На рисунке 9 показаны фактические сигналы, воспроизведенные у основания вибростенда и в массе, соответственно, для каждого из образцов при подаче двойного сигнала транзитного поля. Отчётливо видны три пика, подробно проанализированные далее в таблице 2 , а также их уменьшение во всех исследованных случаях. Сигналы свидетельствуют о том, что различные пиковые ускорения, обнаруженные в течение 65 с, характеризовались большим количеством ударов, которые были воспроизведены вибростендом для каждого из исследуемых образцов.

Рисунок 9. Графики зависимости ускорения от времени реального сигнала, воспроизведенного в лаборатории для каждого из образцов.

Таблица 2. Параметры вибрации, полученные по реальным сигналам на Пике 1, Пике 2 и Пике 3.

Таблица 2 показывает значения A RMS и A TRANS для трех максимальных пиков, выбранных в исследовании. В пике 1 контрольная пластина показала значимые различия со всеми остальными (ANOVA, p < 0,05, постфактумный парный t -тест Стьюдента с поправкой Холма, p < 0,05), имея самую высокую A TRANS (57,40%) базовую массу по сравнению с остальными образцами. Конфигурация A45-P4-T0.8 не показала значимых различий с A45-P6-T0.4 и A30-P4-T0.8. Конфигурация A30-P4-T0.8 показала значимые различия со всеми остальными, кроме A45-P4-T0.4 и A45-P4-T0.8. Самые низкие значения A TRANS , около 19%, были обнаружены в A30-P6-T0.4 и A30-P4-T0.4, которые показали значимые различия со всеми остальными, кроме самих себя. В Пике 2 значимые различия показаны для всех образцов (ANOVA, p < 0,05, постфактум попарный t -тест Стьюдента с поправкой Холма, p < 0,05). В этом случае более низкие значения A TRANS базовой массы были обнаружены для A30-P6-T0,4 и A30-P4-T0,4. Наконец, в Пике 3 контрольный образец показал значимые различия со всеми остальными, предлагая самый высокий A TRANS , в данном случае 83,70%, по сравнению с Пиком 1 и Пиком 2 (ANOVA, p < 0,05, постфактум попарный t -тест Стьюдента с поправкой Холма, p < 0,05). Конфигурация A45-P4-T0,8 показала значимые различия со всеми другими, кроме A30-P4-T0,8. Конфигурация A45-P6-T0,4 показала значимые различия со всеми, кроме A45-P4-T0,4. Самые низкие значения базовой массы A TRANS в Пике 3 были у образцов A30-P6-T0.4 и A30-P4-T0.4, где эти конфигурации не показали существенной разницы между собой, но со всеми остальными.

Несколько авторов использовали модели QZS для виброизоляции с помощью метаматериалов. Однако изоляторы QZS могут быть созданы не только с использованием метаматериалов, но и с использованием [ 36 ] Х-образных структур [ 37 ], наклонных и изогнутых балок [ 31 ] и конфигураций косых пружин [ 38 ]. Эти изоляторы могут найти применение в различных областях, например, для обеспечения комфорта в сиденьях транспортных средств, устранения вибраций на мостах и ​​трубопроводах или в инкубаторах для младенцев [ 15 ].

Использование ABS в конструкции отличается долговечностью, высокой механической прочностью и термической стабильностью — характеристиками, которые особенно важны для условий транспортировки [ 32 , 33 ]. Однако использование мягких смол дает преимущества с точки зрения снижения вибрации при более высоких амплитудах [ 31 ]. PLA 850 выделяется своими более совершенными свойствами по сравнению с PLA с точки зрения механической прочности и более высокой устойчивости к высоким температурам, сохраняя при этом простоту 3D-печати. ​​Кроме того, комбинирование материалов в конструкциях позволяет улучшить адаптируемость поверхности к нагрузке без потери свойств гашения вибрации [ 26 ]. Для крупномасштабных применений экструзия пластиковых профилей имеет преимущество в том, что она эффективна при массовом производстве, что может значительно снизить удельные затраты.

Чтобы предложить динамическую модель листа, минимизирующую вибрации, испытываемые плодами при транспортировке в поле, необходимо использовать модель, характеризующую вибрации основания, будь то ящик или пол прицепа, вместе с элементом, обладающим массой, жесткостью и демпфированием. Таким образом, этот тип модели определяется как простая модель с одной степенью свободы (SDOF) [ 31 ]. Другие авторы предлагают многоступенчатую систему (MDOF); однако, скорость снижения передаточной способности может быть увеличена [ 39 ].

Есть несколько факторов, которые влияют на вибрацию, регистрируемую при транспортировке, такие как скорость, состояние асфальта, тип тормозов, подвеска и т. д. Эти факторы изменяют амплитуду и частоту зарегистрированного сигнала [ 2 ], как сообщается в фактических воспроизведенных сигналах, показанных на рисунке 8. Несколько авторов используют PSD для анализа на транспортном средстве [ 40 ], а также для понимания энергетического воздействия, которому подвергаются фрукты [ 7 ]. Диапазоны частот вибрации, указанные в литературе, — со значениями 2–4 Гц для грузовиков, 2–10 Гц для полуприцепов [ 41 ] или 0,1–5 Гц для дальнемагистральных прицепов [ 13 ] — включали значения, полученные в этом исследовании (3–4 Гц на рисунке 7 ). Вибрации и удары от кузова грузовика в сочетании с неправильным и недостаточным использованием упаковки могут значительно снизить качественные показатели свежих продуктов [ 42 ]. Когерентность полезна для проверки корреляции между сигналами от прицепа и ящика с фруктами [ 43 ]. В данном исследовании самые высокие частоты (3,5–4 Гц) показали спектральную когерентность более 97% между основанием прицепа и ящиком, а также минимально отрицательные кросс-спектральные фазы. Этот фазовый сдвиг предполагает, что один сигнал задерживается относительно другого из-за расстояния между двумя датчиками или различий в материалах [ 44 ].

Говоря о передаточной способности между основанием электромагнитного встряхивателя и массой, имитирующей плод, значения выше 100% были зарегистрированы при работе с синусоидальным вынужденным сигналом 4 Гц; однако для двойных транзитных сигналов в полевых условиях были зарегистрированы значения значительно ниже 100%, достигая даже 13,27%, что является значительным снижением вибрации плода. Динамическое поведение модели к синусоидальному сигналу по мере увеличения амплитуды показало поведение, аналогичное установленному другими моделями, где резонансные частоты находятся в первых частотах исследования [ 45 ]; эти значения изменяются в зависимости от конструкции и исследуемой нагрузки вокруг кривой нагрузка-деформация [ 31 ]. Поведение контрольного образца аналогично поведению блока массы и его тренду до передаточной способности, представляя значения ниже 100%, отсюда и его линия тренда с небольшим отрицательным наклоном. Оказывается, что архитектура твердой массы также представляет собой рассеивание механических возбуждений [ 20 ]. Однако они могут иметь тот недостаток, что волны распространяются по всей детали [ 46 ].

Изучение отношения амплитуд вибрации было полезно для оценки характеристик демпфирования образцов по сравнению с контрольной пластиной. В этом контексте другие авторы использовали системы удара по фруктам для оценки отношения энергии удара к повреждению фруктов [ 34 ], подтверждая, что чем больше время воздействия вибрации, тем больше экспоненциально увеличивается повреждение [ 47 ]. Использование искусственной вибрации, полученной из реального сигнала, было очень полезно для проверки реальной производительности различных предложенных изоляторов. При воспроизведении реального дорожного сигнала в полевых условиях появлялись небольшие типичные отклонения между повторениями, что является характерной чертой воспроизведения сигнала с разомкнутым контуром, типичным для оборудования, используемого в этом исследовании, и которое можно было бы минимизировать при использовании систем с замкнутым контуром [ 48 ]. Однако пиковые ускорения показывают очень малые стандартные отклонения при различных повторениях ( таблица 2 ).

Вибрация, зарегистрированная на участке сельскохозяйственных исследований, характеризуется в основном ударами, поскольку неровности и камни являются элементами, оказывающими наибольшее влияние на возникновение этих колебаний [ 49 ]. Три изученных пиковых ускорения или удара показали снижение ускорения, аналогичное результатам, полученным в отношении амплитуды вибрации, причем A30-P4-T0.4 и A30-P6-T0.4 являются конфигурациями с самыми низкими процентами передаточной способности и, следовательно, с самыми высокими демпфирующими способностями. Результаты, представленные в этом исследовании, позволили значительно снизить пиковые ускорения, зарегистрировав значения передаточной способности до 13%. Можно заметить, что эти проценты различны в одном и том же образце, и это может быть связано с природой пика ускорения, поскольку на него влияют величина оказываемого давления, используемое время и материал [ 50 ], но это также может быть связано с нелинейностями, характерными для этого типа изолятора [ 15 ].

В настоящее время широко применяются методы упаковки с отдельными ячейками и покрытия из вспененного полистирола, которые являются одними из наиболее распространенных решений для смягчения механических повреждений фруктов [ 51 , 52 ]. Однако эти стратегии имеют важные ограничения, такие как необходимость в большом количестве материала, что непрактично для крупногабаритной упаковки. Кроме того, высокий расход материала оказывает значительное воздействие на окружающую среду, что противоречит современным тенденциям в пищевой промышленности, направленным на сокращение использования упаковки [ 53 ].

В будущих исследованиях мы намерены провести сравнение качества фруктов (химические и физические параметры) при использовании различных типов традиционной упаковки, таких как пластиковые коробки или коробки из гофрированного картона, с коробками, разработанными с покрытиями, предложенными в данном исследовании.

Было проанализировано поведение различных образцов виброизоляции QZS, изготовленных с помощью 3D-печати в качестве опорных плит или листов ящиков для снижения вибрации при транспортировке фруктов. Внутренняя структура этих образцов была охарактеризована с учетом угла, расстояния между ними и толщины их внутренних ребер. Динамический отклик этих образцов был изучен при ударах и с использованием сигналов, воспроизводящих вертикальные ускорения, возникающие при транспортировке в полевых условиях, характеризующихся большим количеством пиковых ускорений.

Поведение образцов при синусоидальных сигналах показало более высокую передаточную способность между основанием возбуждения и массой на образцах A30-P4-T0.4 и A30-P6-T0.4, что указывает на приспособляемость этих листов к более высокой амплитуде вибрации. С сигналом, имитирующим движение на ферме, были получены значения удара A TRANS от 19% до 13% для образцов с углами ребер 30°. Испытание отношения амплитуд колебаний снова показывает более низкие уровни затухания в конфигурации угла 45°, с толщиной 0,8 мм для четырех шаблонов, увеличиваясь в девять раз при изменении толщины до 0,4 мм и в двадцать пять раз при изменении угла также до 30°, что является наилучшей конфигурацией для рассеивания ударов. Все результаты показывают, что эти испытательные образцы демонстрируют наилучшие характеристики, при этом A30-P4-T0.4 является немного лучшим вариантом. Таким образом, изготовленные листы представляют техническую возможность для целей данной работы и могут быть использованы ввиду их низкой стоимости, простоты обслуживания, легкости доступа и возможности повторного использования по сравнению с другими устройствами для гашения вибрации.

Дальнейшие направления исследований должны быть сосредоточены на разработке коммерческих ящиков для транспортировки фруктов с использованием разработанных изоляционных листов, при этом основное внимание следует уделить анализу степени реального воздействия на фрукты, выращенные в полевых условиях, по сравнению с обычными системами, используемыми для хранения или транспортировки.

1.    Jung, H.M.; Lee, S.; Lee, W.-H.; Cho, B.-K.; Lee, S.H. Effect of vibration stress on quality of packaged grapes during transportation. Eng. Agric. Environ. Food 2018, 11, 79–83. [Google Scholar] [CrossRef]

2.    Lu, F.; Ishikawa, Y.; Kitazawa, H.; Satake, T. Effect of vehicle speed on shock and vibration levels in truck transport. Packag. Technol. Sci. 2018, 23, 101–109. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Xu, F.; Liu, S.; Liu, Y.; Wang, S. Effect of mechanical vibration on postharvest quality and volatile compounds of blueberry fruit. Food Chem. 2021, 349. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

4.    Walkowiak-Tomczak, D.; Idaszewska, N.; Łysiak, G.P.; Bieńczak, K. The effect of mechanical vibration during transport under model conditions on the shelf-life, quality and physico-chemical parameters of four apple cultivars. Agronomy 2021, 11, 81. [Google Scholar] [CrossRef]

5.    Mahanti, N.K.; Pandiselvam, R.; Kothakota, A.; Ishwarya, S.P.; Chakraborty, S.K.; Kumar, M.; Cozzolino, D. Emerging non-destructive imaging techniques for fruit damage detection: Image processing and analysis. Trends Food Sci. Technol. 2022, 120, 418–438. [Google Scholar] [CrossRef]

6.    Ali, A.; Xia, C.; Ouattara, N.; Mahmood, I.; Faisal, M. Economic and environmental consequences of postharvest loss across food supply Chain in the developing countries. J. Clean. Prod. 2021, 323, 129146. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Al-Dairi, M.; Pathare, P.B.; Al-Yahyai, R.; Opara, U.L. Mechanical damage of fresh produce in postharvest transportation: Current status and future prospects. Trends Food Sci. Technol. 2022, 124, 195–207. [Google Scholar] [CrossRef]

8.    Soleimani, B.; Ahmadi, E. Evaluation and analysis of vibration during fruit transport as a function of road conditions, suspension system and travel speeds. Eng. Agric. Environ. Food 2015, 8, 26–32. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Wang, Y.; An, N.; Lu, J.; Zhao, Z.; Fu, X.; Cui, Q.; Wang, J. Research on damping performance of orchard fruit three-stage damping trailer based on adams. INMATEH-Agric. Eng. 2023, 71, 583–598. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Wasala, W.M.C.B.; Dharmasena, D.A.N.; Dissanayake, T.M.R.; Thilakarathne, B.M.K.S. Vibration Simulation Testing of Banana Bulk Transport Packaging Systems. Trop. Agric. Res. 2015, 26, 355–367. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Fernando, I.; Fei, J.; Stanley, R.; Rouillard, V. Evaluating packaging performance for bananas under simulated vibration. Food Packag. Shelf Life 2020, 23, 100428. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Peter Aba, I.; Mohammed Gana, Y.; Ogbonnaya, C.; Morenikeji, O.O. Simulated transport damage study on fresh tomato (Lycopersicon esculentum) fruits. CIGR J. 2012, 14, 119–126. Available online: http://www.cigrjournal.org (accessed on 2 September 2024).

13. Fernando, I.; Fei, J.; Stanley, R. Measurement and analysis of vibration and mechanical damage to bananas during long-distance interstate transport by multi-trailer road trains. Postharvest Biol. Technol. 2019, 158, 110977. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Dhital, R.; Joshi, P.; Becerra-Mora, N.; Umagiliyage, A.; Chai, T.; Kohli, P.; Choudhary, R. Integrity of edible nano-coatings and its effects on quality of strawberries subjected to simulated in-transit vibrations. LWT 2017, 80, 257–264. [Google Scholar] [CrossRef]

15. Liu, C.; Zhang, W.; Yu, K.; Liu, T.; Zheng, Y. Quasi-zero-stiffness vibration isolation: Designs, improvements and applications. Eng. Struct. 2024, 301, 117282. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Al Rifaie, M.; Abdulhadi, H.; Mian, A. Advances in mechanical metamaterials for vibration isolation: A review. Adv. Mech. Eng. 2022, 14, 1–20. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Augello, R.; Carrera, E. Nonlinear dynamics and band gap evolution of thin-walled metamaterial-like structures. J. Sound Vib. 2024, 578, 118329. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Zolfagharian, A.; Bodaghi, M.; Hamzehei, R.; Parr, L.; Fard, M.; Rolfe, B.F. 3D-Printed Programmable Mechanical Metamaterials for Vibration Isolation and Buckling Control. Sustainability 2022, 14, 6831. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Singh, G.; Singh, J.; Singh, N.; Farina, I.; Colangelo, F.; Pandey, P.M. Effect of unit cell shape and structure volume fraction on the mechanical and vibration properties of 3D printed lattice structures. J. Thermoplast. Compos. Mater. 2023, 37, 1841–1858. [Google Scholar] [CrossRef]

20. Herkal, S.; Rahman, M.M.; Nagarajaiah, S.; Harikrishnan, V.V.J.; Ajayan, P. 3D printed metamaterials for damping enhancement and vibration isolation: Schwarzites. Mech. Syst. Signal Process. 2023, 185, 109819. [Google Scholar] [CrossRef]

21. Boulvert, J.; Humbert, T.; Romero-García, V.; Gabard, G.; Fotsing, E.R.; Ross, A.; Mardjono, J.; Groby, J.-P. Perfect, broadband, and sub-wavelength absorption with asymmetric absorbers: Realization for duct acoustics with 3D printed porous resonators. J. Sound Vib. 2022, 523, 116687. [Google Scholar] [CrossRef]

22. Astrauskas, T.; Grubliauskas, R.; Januševičius, T. Optimization of sound-absorbing and insulating structures with 3D printed recycled plastic and tyre rubber using the TOPSIS approach. JVC/J. Vib. Control. 2024, 30, 1772–1782. [Google Scholar] [CrossRef]

23. Cai, C.; Zhou, J.; Wu, L.; Wang, K.; Xu, D.; Ouyang, H. Design and numerical validation of quasi-zero-stiffness metamaterials for very low-frequency band gaps. Compos. Struct. 2020, 236, 111862. [Google Scholar] [CrossRef]

24. Cai, C.; Zhou, J.; Wang, K.; Xu, D.; Wen, G. Metamaterial plate with compliant quasi-zero-stiffness resonators for ultra-low-frequency band gap. J. Sound Vib. 2022, 540, 117297. [Google Scholar] [CrossRef]

25. Dalela, S.; Balaji, P.S.; Leblouba, M.; Trivedi, S.; Kalam, A. Nonlinear static and dynamic response of a metastructure exhibiting quasi-zero-stiffness characteristics for vibration control: An experimental validation. Sci. Rep. 2024, 14, 19195. [Google Scholar] [CrossRef]

26. Hamzehei, R.; Bodaghi, M.; Wu, N. Mastering the art of designing mechanical metamaterials with quasi-zero stiffness for passive vibration isolation: A review. Smart Mater. Struct. 2024, 33, 083001. [Google Scholar] [CrossRef]

27. Abejón, R.; Bala, A.; Vázquez-Rowe, I.; Aldaco, R.; Fullana-I-Palmer, P. When plastic packaging should be preferred: Life cycle analysis of packages for fruit and vegetable distribution in the Spanish peninsular market. Resour. Conserv. Recycl. 2020, 155, 104666. [Google Scholar] [CrossRef]

28. Hamzehei, R.; Zolfagharian, A.; Dariushi, S.; Bodaghi, M. 3D-printed bio-inspired zero Poisson’s ratio graded metamaterials with high energy absorption performance. Smart Mater. Struct. 2022, 31, 035001. [Google Scholar] [CrossRef]

29. Hamzehei, R.; Bodaghi, M.; Martinez, J.A.I.; Ji, Q.; Ulliac, G.; Kadic, M.; Wang, C.; Zolfagharian, A.; Wu, N. Parrot Beak-Inspired Metamaterials with Friction and Interlocking Mechanisms 3D/4D Printed in Micro and Macro Scales for Supreme Energy Absorption/Dissipation. Adv. Eng. Materials 2023, 25, 2201842. [Google Scholar] [CrossRef]

30. Kim, H.; Tawfick, S.H.; King, W.P. Modeling and Design of Zero-Stiffness Elastomer Springs Using Machine Learning. Adv. Intell. Syst. 2022, 4, 2200225. [Google Scholar] [CrossRef]

31. Xiao, L.; Sun, X.; Cheng, L.; Yu, X. A 3D-printed quasi-zero-stiffness isolator for low-frequency vibration isolation: Modelling and experiments. J. Sound Vib. 2024, 577, 118308. [Google Scholar] [CrossRef]

32. Álvarez, K.; Lagos, R.F.; Aizpun, M. Investigating the influence of infill percentage on the mechanical properties of fused deposition modelled ABS parts. Ing. E Investig. 2016, 36, 110–116. [Google Scholar] [CrossRef]

33. Dizon, J.R.C.; Espera, A.H.; Chen, Q.; Advincula, R.C. Mechanical characterization of 3D-printed polymers. Addit. Manuf. 2018, 20, 44–67. [Google Scholar] [CrossRef]

34. Jiménez-Jiménez, F.; Castro-García, S.; Blanco-Roldán, G.L.; Ferguson, L.; Rosa, U.A.; Gil-Ribes, J.A. Table olive cultivar susceptibility to impact bruising. Postharvest Biol. Technol. 2013, 86, 100–106. [Google Scholar] [CrossRef]

35. Wu, Y.; Li, L.; Fan, Y.; Ma, H.; Wang, W.; Christen, J.-L.; Ichchou, M. Design of semi-active dry friction dampers for steady-state vibration: Sensitivity analysis and experimental studies. J. Sound Vib. 2019, 459, 114850. [Google Scholar] [CrossRef]

36. Zheng, Y.; Zhang, X.; Luo, Y.; Zhang, Y.; Xie, S. Analytical study of a quasi-zero stiffness coupling using a torsion magnetic spring with negative stiffness. Mech. Syst. Signal Process. 2018, 100, 135–151. [Google Scholar] [CrossRef]

37. Xiong, Y.; Li, F.; Wang, Y. A nonlinear quasi-zero-stiffness vibration isolation system with additional X-shaped structure: Theory and experiment. Mech. Syst. Signal Process. 2022, 177, 109208. [Google Scholar] [CrossRef]

38. Gatti, G. An adjustable device to adaptively realise diverse nonlinear force-displacement characteristics. Mech. Syst. Signal Process. 2022, 180, 109379. [Google Scholar] [CrossRef]

39. Zheng, Y.; Shangguan, W.; Bin, Y.Z.; Liu, X.A. Design and modeling of a quasi-zero stiffness isolator for different loads. Mech. Syst. Signal Process. 2023, 188, 110017. [Google Scholar] [CrossRef]

40. Xing, Y.; Li, Q.M. Evaluation of the mechanical shock testing standards for electric vehicle batteries. Int. J. Impact Eng. 2024, 194, 105077. [Google Scholar] [CrossRef]

41. Zhou, R.; Wang, X.; Hu, Y.; Zhang, G.; Yang, P.; Huang, B. Reduction in Hami melon (Cucumis melo var. saccharinus) softening caused by transport vibration by using hot water and shellac coating. Postharvest Biol. Technol. 2015, 110, 214–223. [Google Scholar] [CrossRef]

42. Li, Z.; Thomas, C. Quantitative evaluation of mechanical damage to fresh fruits. Trends Food Sci. Technol. 2014, 35, 138–150. [Google Scholar] [CrossRef]

43. Wang, D.; Zhao, X.; Kou, L.-L.; Qin, Y.; Zhao, Y.; Tsui, K.-L. A simple and fast guideline for generating enhanced/squared envelope spectra from spectral coherence for bearing fault diagnosis. Mech. Syst. Signal Process. 2019, 122, 754–768. [Google Scholar] [CrossRef]

44. Zhang, P.; Wen, H.; Liu, X.; Niu, L. A new time-delay estimation: Phase difference-reassigned transform. Int. J. Dyn. Control. 2024, 12, 4315–4327. [Google Scholar] [CrossRef]

45. Dalela, S.; Balaji, P.S.; Jena, D.P. Design of a metastructure for vibration isolation with quasi-zero-stiffness characteristics using bistable curved beam. Nonlinear Dyn. 2022, 108, 1931–1971. [Google Scholar] [CrossRef]

46. Elmadih, W.; Syam, W.P.; Maskery, I.; Chronopoulos, D.; Leach, R. Multidimensional phononic bandgaps in three-dimensional lattices for additive manufacturing. Materials 2019, 12, 1878. [Google Scholar] [CrossRef]

47. Fernando, I.; Fei, J.; Stanley, R.; Enshaei, H.; Rouillard, V. Developing an accelerated vibration simulation test for packaged bananas. Postharvest Biol. Technol. 2021, 173, 111400. [Google Scholar] [CrossRef]

48. Yu, M.; Cheng, X.; Peng, S.; Cao, Y.; Lu, Y.; Li, B.; Feng, X.; Zhang, Y.; Wang, H.; Jiao, Z.; et al. A self-sensing soft pneumatic actuator with closed-Loop control for haptic feedback wearable devices. Mater. Des. 2023, 223, 111149. [Google Scholar] [CrossRef]

49. Paternoster, A.; Vanlanduit, S.; Springael, J.; Braet, J. Vibration and shock analysis of specific events during truck and train transport of food products. Food Packag. Shelf Life 2018, 15, 95–104. [Google Scholar] [CrossRef]

50. Ibrahim, A.; Ramini, A.; Towfighian, S. Experimental and theoretical investigation of an impact vibration harvester with triboelectric transduction. J. Sound Vib. 2018, 416, 111–124. [Google Scholar] [CrossRef]

51. Wang, L.J.; Zhang, Q.; Song, H.; Wang, Z.W. Mechanical damage of ‘Huangguan’ pear using different packaging under random vibration. Postharvest Biol. Technol. 2022, 187, 111847. [Google Scholar] [CrossRef]

52. Lin, M.; Chen, J.; Chen, F.; Zhu, C.; Wu, D.; Wang, J.; Chen, K. Effects of cushioning materials and temperature on quality damage of ripe peaches according to the vibration test. Food Packag. Shelf Life 2020, 25, 100518. [Google Scholar] [CrossRef]

53. Verghese, K.; Lewis, H.; Lockrey, S.; Williams, H. Packaging’s Role in Minimizing Food Loss and Waste Across the Supply Chain. Packag. Technol. Sci. 2015, 28, 603–620. [Google Scholar] [CrossRef]

Sanchez-Cachinero P, Aguilar-Porro C, Sola-Guirado RR. Vibration Mitigation in the Transport of Fruit Boxes Using 3D-Printed Devices. Agriculture. 2025; 15(2):131. https://doi.org/10.3390/agriculture15020131

Перевод статьи «Vibration Mitigation in the Transport of Fruit Boxes Using 3D-Printed Devices» авторов Sanchez-Cachinero P, Aguilar-Porro C, Sola-Guirado RR., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык